化工節(jié)能原理與技術

前言

化學工業(yè)一直是國民經(jīng)濟的用能大戶，能耗大約占全國能源消耗總量的10%。近年來國家各項戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃積極倡導化學工業(yè)向能源資源節(jié)約型和環(huán)境友好型生產(chǎn)模式轉變，以減少對化石資源依存度和溫室氣體排放。與此相適應，涌現(xiàn)了一些新型的學科方向，如能源化工等。因此，在這種背景下，《化工節(jié)能原理與技術》課程顯得更具有時代特色。本書主要內容為化工節(jié)能的熱力學原理、化工節(jié)能的新技術、新設備和新理論等，從多角度解答例題，加深對基礎知識的理解和應用；在內容上注重引入化工節(jié)能技術方面最新的研究成果，盡量開拓讀者視野。第1章主要介紹了化工過程的特點、節(jié)能的意義及途徑、分離過程和反應過程中的節(jié)能。第2章主要介紹了化工節(jié)能的熱力學的基本原理。首先介紹了化工熱力學的一些基本概念及熱力學三大定律；引入理想功和熱力學效率的概念，并詳細介紹了分離過程和反應過程中理想功的計算；介紹了的概念，并以具體實例說明了各種情況下的計算方法；最后介紹了損失和衡算方程式。第3章主要介紹了化工節(jié)能的新技術。首先介紹了夾點技術，針對化工換熱過程中的夾點問題、閾值問題以及實際工程項目中的換熱網(wǎng)絡合成等進行了詳細的說明；隨后介紹了多效精餾及中間換熱器、熱偶精餾、熱泵精餾、共沸精餾、萃取精餾和反應精餾的原理，并結合具體實例來說明化工過程的節(jié)能；本章最后以工業(yè)異丙苯合成工藝為例，通過對分離和反應工段的優(yōu)化來實現(xiàn)過程的節(jié)能降耗。第4章主要介紹了化工節(jié)能過程中的新設備，包括新型的塔板技術、填料技術，并詳細介紹了整體式結構化催化劑在化工過程強化中的應用。第5章主要介紹了化工過程節(jié)能的新理論，介紹了應用于小分子溶劑體系、含小分子無機鹽體系、含聚合物體系和離子液體體系的預測型分子熱力學模型，并結合具體應用實例加以詳細說明。本書可供化工領域研究人員和工程技術人員參考，也可作為高等院?；ゎ悓I(yè)本科生和研究生教材。本書是在作者近幾年來講授《化工節(jié)能原理與技術》課程的基礎上，結合自己的科研體會編寫而成，書中難免有不妥之處，懇請讀者批評指正，以利日后再版修改。編者2011年8月

內容概要

　本書重點介紹化工節(jié)能的熱力學原理，化工節(jié)能的新技術(包括夾點技術、熱偶精餾、熱泵精餾、共沸精餾、萃取精餾、反應精餾及離子液體分離過程強化等)、新設備(主要包括新型塔板、新型填料及整體式結構化催化劑技術等)和新理論(各種體系的預測型分子熱力學理論)。
本書編寫的原則是：從多角度解答例題，加深對基礎知識的理解和應用，并以實例的形式介紹ProII、Aspen和CFD等化工模擬軟件在化工中的應用；對有些陳舊的節(jié)能技術盡量少介紹或不介紹，以避免內容上的重復；重視對基本概念的理解，避免冗長的數(shù)學計算和推導。本書在內容上注重引入化工節(jié)能技術方面最新的研究成果，盡量開拓讀者視野，期望對讀者的科學研究工作有所幫助。
 本書可作為高等院校化工類專業(yè)本科生和研究生教材，也可供化工領域研究人員參考。

書籍目錄

第1章總論
1.1化工過程的特點
1.2化學工業(yè)節(jié)能的意義與途徑
1.2.1節(jié)能的意義
1.2.2節(jié)能的途徑
1.3分離過程
1.3.1分離過程的特點
1.3.2分離過程的發(fā)展歷史
1.3.3分離過程的發(fā)展趨勢
1.4反應過程
參考文獻
第2章節(jié)能的熱力學基本原理
2.1熱力學基本概念
2.1.1系統(tǒng)(熱力系統(tǒng))
2.1.2狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)
2.1.3強度性質和廣度性質
2.1.4平衡態(tài)
2.1.5功和熱
2.2熱力學定律
2.2.1熱力學第一定律和能量平衡方程
2.2.2熱力學第二定律和熵平衡方程
2.2.3熱力學第三定律
2.3理想功
2.3.1分離過程的理想功(最小功)
2.3.2反應過程的理想功(最大功)
2.3.3凈功消耗
2.3.4熱力學效率
2.4及其計算
2.4.1的概念
2.4.2環(huán)境參考態(tài)
2.4.3功的
2.4.4熱量
2.4.5氣體的擴散
2.4.6物質的化學
2.5損失和衡算方程式
2.5.1損失和衡算方程式
2.5.2封閉系統(tǒng)的衡算方程式
2.5.3穩(wěn)定流動系統(tǒng)的衡算方程式
符號說明
參考文獻
第3章化工節(jié)能的新技術
3.1夾點技術
3.1.1溫焓圖與復合曲線
3.1.2夾點及夾點溫差
3.1.3問題表法
3.1.4夾點的意義
3.1.5夾點法設計能量最優(yōu)的換熱網(wǎng)絡
3.1.6換熱網(wǎng)絡的調優(yōu)
3.1.7閾值問題
3.1.8實際工程項目的換熱網(wǎng)絡合成
3.2多效精餾及中間換熱器
3.2.1多效精餾流程
3.2.2多效精餾的節(jié)能效果和效數(shù)
3.2.3多效精餾應用實例——甲醇.水分離
3.2.4精餾塔中間換熱器
3.3熱偶精餾
3.3.1熱偶精餾流程
3.3.2熱偶精餾流程的適用范圍
3.4熱泵精餾
3.4.1熱泵的工作原理
3.4.2熱泵精餾流程
3.4.3熱泵精餾應用實例——甲醇.水分離
3.4.4熱泵技術應用需注意的幾個問題
3.5共沸精餾
3.5.1變壓共沸精餾
3.5.2二元非均相共沸精餾
3.5.3三組分共沸精餾
3.5.4共沸劑的選擇
3.6萃取精餾
3.6.1萃取精餾流程安排
3.6.2加鹽萃取精餾
3.6.3絡合萃取精餾
3.7反應精餾
3.7.1利用反應促進精餾的反應精餾
3.7.2利用精餾促進反應的反應精餾
3.7.3催化精餾
3.7.4反應精餾過程的特點
3.7.5懸浮床催化精餾
3.8離子液體分離過程強化
3.8.1離子液體萃取精餾
3.8.2離子液體液.液萃取
3.8.3離子液體吸收
3.9異丙苯工藝流程節(jié)能優(yōu)化
3.9.1二異丙苯塔的優(yōu)化
3.9.2泡點反應器合成異丙苯
3.9.3催化精餾合成異丙苯
3.9.4烷基化和烷基轉移反應同時進行的固定床催化精餾
符號說明
參考文獻
第4章化工節(jié)能的新設備
4.1新型塔板技術
4.2新型填料技術
4.3整體式結構化催化劑技術
4.3.1開放錯流結構化催化劑
4.3.2蜂窩整體式結構化催化劑
4.3.3蜂窩整體式結構化催化劑應用于選擇性催化還原法煙氣脫硝
過程研究
符號說明
參考文獻
第5章化工節(jié)能的新理論
5.1小分子溶劑體系的預測型分子熱力學
5.1.1UNIFAC模型
5.1.2改進的UNIFAC模型
5.1.3基于γ∞的UNIFAC模型
5.1.4應用實例1——無限稀釋溶液活度系數(shù)計算
5.1.5計算機輔助分子設計(CAMD)
5.1.6應用實例2——ACN法萃取精餾分離C4的分子設計
5.2含小分子無機鹽體系的預測型分子熱力學
5.2.1定標粒子理論推導
5.2.2應用實例3——DMF法萃取精餾分離C4組分
5.3含聚合物體系的預測型分子熱力學
5.3.1GCLF EOS模型
5.3.2應用實例4——GCLF EOS模型預測氣體在聚合物中的溶解度
5.3.3應用實例5——GCLF EOS模型預測聚合物的結晶度
5.3.4應用實例6——GCLF EOS模型預測聚合物的比容
5.4含離子液體體系的預測型分子熱力學
5.4.1COSMO.RS模型
5.4.2UNIFAC模型
5.4.3應用實例
符號說明
參考文獻

章節(jié)摘錄

版權頁：   插圖：   乙二醇鉀起著“載體”的作用，它與被分離體系中的水發(fā)生反應生成乙二醇和氫氧化鉀，而在溶劑回收過程中乙二醇又和氫氧化鉀生成乙二醇鉀和水，相當于乙二醇鉀將體系中的水不斷載出，而它本身不發(fā)生變化，只起著遷移水分的載體作用，吸取了分離技術中利用載體促進轉移的思想，從而得到含水很少的乙二醇鉀溶液，然后用此溶液作為萃取劑分離有機溶液中的水，生成乙二醇和氫氧化鈉，從而除去水。由此原理可以看出該類反應精餾過程中所設計的化學反應應具備三個條件：①反應是可逆的，其中一個組分作為載體可負載所需要除去的物質，并使添加劑可以回收循環(huán)使用；②可逆反應生成物之一是沸點較低的物質，以便可以采用精餾的方法不斷除去它們，使反應進行完全；③反應萃取劑與被分離組分除了發(fā)生上述可逆反應外，無副反應。 又如異構體的分離，反應精餾分離異構體的過程是在雙塔中完成的。加入第三組分到塔1中，使之選擇性地與異構體之一優(yōu)先發(fā)生可逆反應生成難揮發(fā)的化合物，不反應的異構體從塔頂餾出。反應添加劑和反應產(chǎn)物從塔釜出料進入塔2，在該塔中反應產(chǎn)物發(fā)生逆反應，通過精餾作用，塔頂采出異構體，塔釜出料為反應添加劑，再循環(huán)至塔1。實現(xiàn)該類反應精餾過程的基本條件是：①反應是快速和可逆的，反應產(chǎn)物僅僅存在于塔內，不污染分離后產(chǎn)品；②添加劑必須選擇性地與異構體之一反應；③反應添加劑、異構體和反應產(chǎn)物的沸點之間的關系符合精餾要求。使用有機的鈉金屬反應添加劑可以實現(xiàn)對二甲苯和問二甲苯的分離，在此過程中鈉優(yōu)先與酸性較強的間二甲苯反應，使對二甲苯從塔頂餾出。 3.7.2 利用精餾促進反應的反應精餾 反應精餾的一個獨特優(yōu)點是利用精餾來促進反應。特別是對于受平衡限制的可逆反應，利用反應精餾可突破平衡限制，使反應向生成產(chǎn)物的方向進行，在一定程度上變可逆為不可逆，大大提高產(chǎn)物的轉化率，從而降低單位產(chǎn)品的能耗。醇與酸進行酯化反應就是一個典型的例子。原料醋酸和乙醇按化學反應計量進料，以濃硫酸為催化劑，在塔中進行均相酯化反應精餾過程，如圖3—49所示。 對于連串反應，反應精餾也具有獨特的優(yōu)越性。連串反應可表示為A—R—S，按目的產(chǎn)物是R還是S，又可分為兩種類型：①S為目的產(chǎn)物，很多生產(chǎn)，原料首先反應生成中間產(chǎn)物進而得到目的產(chǎn)物，這兩步一般反應條件不同，按傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝，需要分別在兩個反應器中進行，有時還需中間產(chǎn)物的分離。

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